2001—2018年北京地区暴雪天气雷达回波特征分析

吴剑坤 黄初龙 雷蕾

(1 北京城市气象研究院，北京 100089； 2 昆明市气象局，昆明 650034； 3 北京市气象台，北京 100089)

引言

暴雪天气过程是指24 h降雪量超过10.0 mm的降雪过程，其造成道路积雪、结冰和湿滑，已经成为影响城市交通安全、工农业生产和居民正常生活的主要灾害性天气之一。孙继松[1]等指出北京地区冬季暴雪出现几率虽小，但危害性大，预报难度较高，一直是气象预报研究的一个重要内容之一。

国内针对北京地区的暴雪天气过程的研究多集中在机理分析、特种资料观测和数值模拟上，而利用多普勒天气雷达进行统计分析相对较少。叶晨[2]等利用多种新观测资料，对2009年11月1日北京地区出现的60年来降雪量最大的暴雪天气过程的发生、发展特征进行了分析，探讨了此次暴雪的形成机制，结果表明，此次暴雪天气过程是在500 hPa东亚大槽斜压发展、低层锋区较强的背景下，由华北锢囚锋强迫所致。吴庆梅[3]等利用常规气象观测、加密自动站观测和NCEP再分析资料，以及风廓线雷达、微波辐射计观测的精细风场、温度和湿度资料，对2009年11月9日夜间北京地区的一次回流暴雪天气过程的锋区特征进行了详细分析，结果表明，该过程的主要影响系统为华北锢囚锋和中高层短波槽，与锢囚锋联系的中低空暖湿空气在回流干冷空气上爬升造成锋生，是北京地区出现暴雪的主要原因。李青春[4]等利用北京地区高分辨率快速循环同化中尺度数值预报系统(BJ-RUC)对2010年1月2—3日一次典型的回流暴雪天气过程进行模拟，得出上游低涡系统前部西南暖湿气流相对应的大湿度区移近是产生暴雪的重要条件，降水开始时间、强度的变化与中低层开始转南风的时间、偏南风的风速大小密切相关，偏南风的风速大小往往与中低层系统的发展强度有关。也有部分专家利用风廓线雷达资料，分析了北京地区两次暴雪天气过程，得出：①暴雪开始前2 h内底层有偏东气流建立，且该偏东气流会突然加强；②700 hPa以上出现冷平流或者冷平流加强且高度降低预示暴雪即将开始[5]。

近年来，多普勒天气雷达在暴雪天气过程中应用研究逐渐增多，取得了一些有价值的暴雪的雷达回波统计特征[6-8]。蒋大凯[9]等对辽宁省3次暴雪天气过程分析表明，辽宁省的暴雪回波强度一般不超过30 dBz，回波强度超过40 dBz时，其以液态降水粒子或处于融化状态的固态降水粒子为主，且小时降水量与降雪回波强度呈正相关关系。王荣基[10]等利用天气雷达回波资料对2001—2010年大连市7次降雪过程分析表明，天气雷达能更直观、连续地揭示降雪过程中天气系统和水汽的演变特征。胡鹏宇[11]等对辽宁省3次暴雪天气过程分析表明，暴雪天气过程的雷达回波强度不超过40 dBz，回波顶高低于10 km；雷达参量Zmax和Zmean15的演变与降雪过程强弱的变化对应较好，强回波中心增强和触地的时段与主要降雪时段较一致，可以揭示系统强度的变化和降水粒子的下落，对降雪天气具有一定的预报意义。

综上所述，利用多普勒天气雷达资料来分析暴雪天气过程还是有较高的价值，本文利用北京市常规观测资料以及多普勒天气雷达(CINRAD/SA型)资料，在对16次暴雪天气过程气候特征和环流形势分析的基础上，对其中的10次暴雪天气过程的雷达回波统计特征进行了详细的分析，得到产生暴雪时的几个雷达回波统计指标，旨在为北京地区冬季暴雪天气过程的业务预报服务提供参考。

1 北京地区暴雪的气候与环流特征

1.1 北京地区暴雪的气候特征

本文规定：在北京所辖的20个国家级气象站中，只要有一个站24 h冬季降水量超过10.0 mm，即定义为一次暴雪天气过程。据此，北京地区2001—2018年冬季共出现16次暴雪天气过程，一年中暴雪天气过程最多出现2次，最大降水量为32.6 mm(表1)。

从月份来看，11月最多，为9次，其次2月有4次，1月、3月和4月各出现一次，12月则无暴雪出现(图1)。这可能因为11月是北京地区降水相态发生转变的过渡季节，该过渡季节水汽较为充沛，有利于出现暴雪天气[12-13]。

1.2 北京地区暴雪的环流特征

研究表明，北京地区暴雪的天气形势主要有以下4种：①低涡低槽型；②地面倒槽型；③横槽型；④回流型。低涡低槽型是指850 hPa有低涡或低压环流以及高空槽影响北京，700 hPa以上可有高空槽与之配合，也可以没有明显高空槽配合，其代表个例有2012年11月3—4日北京特大暴雪天气过程。地面倒槽型是指在高低空均有高空槽经过北京，有时850 hPa有低涡，但低涡位置偏北，并未直接影响北京，或者有气旋式风场；而地面气压场表现为西北高东南低，有明显的地面倒槽存在，其代表个例有2001年11月12日京津冀地区大到暴雪、北京局地暴雪天气过程。横槽型表现为，贝加尔湖以西地区高压脊向北发展，鄂霍次克海至我国东北地区有冷涡发展加强，在高压脊前、冷涡后部出现冷空气的积聚，因此在我国的东北、内蒙北部至中蒙边界一带形成横槽；地面贝加尔湖以南的广大地区受大范围的冷高压控制，北京一般处于高压底部，伴随着横槽南压转竖，强冷空气爆发将会造成华北及北京地区的大范围暴雪天气，其代表个例有2009年11月1日北京深秋暴雪天气过程[2]。回流型表现为，500 hPa贝加尔湖南部至我国东北一带出现横槽，40°N附近气流平直但有弱的波动影响；与横槽型最显著的不同是此类天气下横槽并没有一次性的迅速南压转竖影响北京，而表现成小股冷空气的向南渗透叠加到平直西风气流上形成浅槽的影响，地面表现形式仍然是高压底部回流影响，其代表个例有2009年11月9日北京回流暴雪天气过程[3]。结合4种天气形势的概念模型(图2)，对16次暴雪天气过程按照天气形势进行分类，发现低涡低槽型最多，有6次，地面倒槽型有3次，横槽型有3次，回流型有4次(表1)。

表1 2001—2018年北京地区16次暴雪天气过程统计

图1 2001—2018年北京地区暴雪天气过程出现次数逐月变化

图2 北京地区暴雪出现的4种天气形势的概念模型:(a)低涡低槽型,(b)地面倒槽型,(c)横槽型,(d)回流型

2 北京地区暴雪的雷达回波特征

利用北京多普勒天气雷达资料，对北京地区暴雪天气过程中反射率因子(包括R和CR)，径向速度(V)，回波顶高(ET)，垂直累积液态水含量(VIL)和VAD风廓线产品(VWP)等产品的特征进行统计分析，以期找到北京地区暴雪的雷达回波特征指标。

2.1 反射率因子特征

雷达气象学家将降水的反射率因子回波大致分为3种类型：积云降水回波、层状云降水回波和积云层状云混合降水回波[14]。而降雪回波一般划分为两种，即层状云降雪回波(简称层状云型)和积云层状云混合降雪回波(简称混合型)[15]。分析了10次暴雪天气过程(有6次过程缺乏雷达资料)的反射率因子特征，发现有7次属于混合型，回波形态呈片絮状，最强反射率因子可达35 dBz以上；有3次属于层状云型，回波形态呈片状，最强反射率因子可达20～25 dBz，但大部分回波强度维持在15～20 dBz，而这3次过程的逐小时降雪量并不大，之所以能达到暴雪量级，主要是因为降雪持续时间长，具体见表2。

挑选2009年11月9日(混合型)和2010年1月2—3日(层状云型)这两次纯雪暴雪天气过程做对比，揭示这两种类型暴雪在反射率因子特征上的差异。自动站实况显示，2009年11月9日过程属于回流型降雪，其主要降雪时段为9日23:00至10日03:00，历时4 h，最大小时雪强为8.1 mm/h，出现在00:00—01:00，可见该过程具有持续时间短、雪强大和分布不均匀的特点。从10日00:00 1.5°仰角反射率因子图(图3a)上可以看出，该过程降雪回波呈片絮状，在北京中部地区有椭圆形对流单体回波，反射率因子强度达30～35 dBz。从其垂直剖面图(图3c)中可以看到，强回波伸展到4～5 km，具有明显的回波悬垂结构，这是一次典型的对流性降雪过程，而10日00:00左右，城区大部分地区闻雷。2010年1月2—3日该过程属于低涡低槽型，其降雪从3日01:00前后开始，22:00左右结束，持续时间超过21 h。从3日12:00 1.5°仰角反射率因子图(图3b)上可以看出，该过程降雪回波呈片状，大部分反射率因子强度为15～25 dBz，回波分布较为均匀。从其垂直剖面图(图3d)中可以看到，无明显的强回波区，无回波悬垂结构，15 dBz以上回波集中在3 km以下，且分布均匀，这是一次典型的稳定性降雪过程。

图3 北京天气雷达2009年11月10日00:00 1.5°仰角反射率因子(a)和沿图a中红线的反射率因子垂直剖面(c)，2010年1月3日12:00 1.5°仰角反射率因子(b)和沿图b中红线的反射率因子垂直剖面(d)

2.2 速度场特征

朱乾根[16]等把600 hPa以下出现的强而窄的气流称为低空急流，一般要求风速大于等于12 m/s，大量研究表明700 hPa附近的低空急流在暴雨或暴雪的产生过程中发挥重要的作用[17-18]。由于常规探空资料一般每日仅包含两个时次，且空间分布不均匀，其低时空分辨率难以捕捉所有的低空急流事件，但多普勒天气雷达6 min扫描一次，利用其径向速度资料及其衍生产品VWP能很好地监测暴雪天气过程中低空急流的演变特征。针对北京地区10次暴雪天气过程，通过分析雷达径向速度场和VWP特征，发现8次暴雪天气过程出现了较为明显的“牛眼结构”，其高度均在1.5 km以下，绝大部分径向速度中心值达12 m/s以上，按照高度划分，一般称之为边界层低空急流[19]，这不同于以往研究的700 hPa附近的低空急流。早在2005年，孙继松[20]研究指出北京夏季的局地强降水与边界层低空急流之间存在明显的正反馈现象，边界层急流增加了风速辐合，有利于降水强度进一步增强。而在冬季，边界层低空急流与暴雪是否也有较好的相关性？为此选取该8次暴雪天气过程，对其出现的“牛眼结构”进行了详细的分析。从表2可以看出，“牛眼结构”(边界层低空急流)高度一般出现在0.6～0.9 km，持续时间最短5 h，最长为14 h，大部分个例发现，“牛眼结构”出现要早于强降雪，结束要晚于强降雪，比强降雪持续时间要长。从风向来看，8次边界层低空急流中，有一次偏南风，一次西北风，其他均为偏东风。而大量研究指出，冷空气沿偏东路径自边界层侵入，在底层形成冷垫，其一方面能使边界层气温降低，利于产生降雪天气；另一方面其构建的“楔形”产生触发机制，迫使中空暖湿空气沿冷垫爬升造成锋生。因此，边界层低空急流的出现及强度和维持时间对暴雪的产生和维持至关重要[10，18，21]。

表2 北京地区8次暴雪天气过程“牛眼结构”特征

图4 北京天气雷达2009年11月9—10日2.4°仰角径向速度演变：(a)9日22:48“牛眼”结构形成,(b)10日00:00反“S”形；(c)10日07:30低层北风+风速辐散

以2009年11月9日回流型暴雪天气过程为例，分析边界层低空急流在暴雪天气过程中的作用。华北回流天气是指冷空气从东北平原南下，经过渤海以偏东路径侵入华北平原。从径向速度场上可以看出，从9日22:48(图4a)开始至10日07:00(图略)，2.4°以上仰角径向速度图上风速分布一直有明显的“牛眼”结构特征，高度在0.6～0.9 km，“牛眼”中心径向入流和出流最大速度值均为12 m/s，满足边界层低空急流标准。该“牛眼”结构持续时间超过8 h，结合前面的实况介绍，可以看出该“牛眼结构”出生现早于强降雪，且持续时间明显更长。00:00时，零速度线呈非典型反“S”形，且正速度面积<负速度面积，即存在冷平流加辐合；而“牛眼”结构范围较前一个时次有所增加，其最低高度下降到0.6 km，表明边界层低空急流有所增强，而这又会加强急流前方的风速辐合，这种大尺度风场结构有利于强降雪的维持[15,22]。10日07:30以后低层出现偏北风，“牛眼结构”消失，风速出现辐散，降雪趋于减弱，3 h后本次降雪结束。

图5 北京天气雷达2009年11月9—10日不同阶段VAD风廓线产品VWP的主要特征

从VAD风廓线产品VWP上可以看出，9日22:12开始，0.9 km高度上出现了12 m/s的偏东风，边界层低空急流开始建立，此时偏东风厚度位于2.4 km以下，而23:00时，能看到2.4 km和2.7 km之间存在近乎180°的垂直风切变(图5a)，该风场结构有利于强降雪的产生；另外，10日00:00开始，转换高度2.7 km处，风向由西南风逐渐转为西北风(图5b)，表明该高度上存在西南风和西北风的切变，之后该切变逐渐上传，说明有系统正好经过北京上空，而实况显示此阶段海淀站出现明显强降雪。实况探空上显示9日夜间，700 hPa上确实有一浅槽经过北京(图略)，但由于局限性并不知道具体时间。10日07:00之后，低层的北风加入，边界层低空急流消失，降雪逐渐停止(图5c)。

2.3 雷达二次产品特征

为了更好地揭示北京地区暴雪的雷达回波特征，从雷达二次产品中挑选了几个与降雪有关的组合反射率因子(CR)、回波顶高(ET)和垂直累积液态水含量(VIL)等进行统计分析(表3)。10次暴雪天气过程，从回波类型来看，有7次为混合型，回波形态呈片絮状，其组合反射率因子最强均达35 dBz以上，最大值为50 dBz,出现在2015年11月5—6日暴雪过程中；有3次为层状云型，回波形态呈片状，其组合反射率因子最强达25 dBz。从回波顶高来看，混合型降雪过程的回波顶高在4 km以上，而其中3次闻雷过程的回波顶高最高，可达7～8 km；层状云型回波顶高最高达3 km。暴雪天气过程VIL中心最大值为8 kg/m2,绝大多数为3～5 kg/m2。

表3 北京地区10次暴雪天气过程雷达二次产品特征

3 结论与讨论

本文利用常规气象观测资料，选取了2001—2018年北京地区16次暴雪天气过程，得出北京地区暴雪的气候特征和环流特征。挑选其中10次暴雪个例，从反射率因子特征、风场特征和雷达二次产品特征3个方面，统计分析北京地区暴雪的雷达回波特征，具体结论如下：

(1)2001—2018年，一年中出现暴雪过程最多2次，最多月份为11月，有9次，这可能是过渡季节水汽较为充沛，有利于出现暴雪天气。

(2)北京地区出现暴雪的天气形势主要有4种:低涡低槽型，地面倒槽型，横槽型和回流型;低涡低槽型最多，为6次。

(3)10次暴雪个例雷达回波特征详细分析得出：反射率因子特征方面，北京暴雪一般可以分为混合型和层状云型，混合型占多数，回波形态呈片絮状，最强反射率因子可达35 dBz以上；层状云型占少数，回波形态呈片状，最强反射率因子可达20～25 dBz，但大部分回波强度维持在15～20 dBz。从速度场来看，出现了8次较为明显的“牛眼”结构，其高度均在1.5 km以下，为边界层低空急流；边界层低空急流的存在对暴雪的产生和维持至关重要。从雷达其他产品来看，混合型过程的回波顶高在4 km以上，而其中的3次闻雷过程的回波顶高最高，可达7～8 km；层状云型过程回波顶高最高达3 km。暴雪天气过程VIL中心最大值为8 kg/m2,绝大多数为3～5 kg/m2。

可以看出，目前统计的个例较少，主要因为北京地区并不是暴雪的高发地区，但鉴于暴雪对于城市交通等各方面的影响较大，因此还是有一定研究价值的，后期选取京津冀地区进行统计分析，以使结论更合理。